解读 | 实物编程教育的应用与启示

教育资讯2019年03月07日

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摘要实物编程是一种特殊的编程形式,具有操作直接、编程简单、交互性强三个基本特征。在教育中的应用涉及编程与多个学科的融合以及对学生多元能力的培养。

实物编程是一种特殊的编程形式,具有操作直接、编程简单、交互性强三个基本特征。在教育中的应用涉及编程与多个学科的融合以及对学生多元能力的培养。

现阶段,国内外实物编程的研究都处于起步阶段,尚未成熟。本文通过对已有的实物编程教育应用案例进行分析归纳后发现,实物编程具有较强的易用性,可以较好地促进各类学科知识的学习、高阶思维能力的培养和协同建构能力的提升,但目前也存在产品教育属性不突出、实验研究缺乏、教育功能单一等问题。基于此,本文从产品设计、课程设计、研究设计和生态发展四个方面对实物编程的发展提出了设想。

2017年8月,国务院印发《新一代人工智能发展规划》,明确指出在中小学阶段设置人工智能相关课程,逐步推广编程教育,鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。

美国于2016年11月发布的《K-12计算机科学框架》将“算法与编程”列入计算机科学领域的五大核心概念之一,并致力于帮助人们理解编程是如何影响计算机之外的世界的,以及编程和数据是如何与数学、科学甚至是历史和艺术等学科产生互动的。编程教育是计算机科学教育的一个重要部分,它对帮助学生理解复杂概念,培养学生高阶思维方式有重要作用。

实物编程自20世纪60年代中期开始萌芽,并于1993年由日本学者铃木英之、加藤浩明确提出。他们在一项研究中基于有形用户界面设计了一套特殊的编程规则,并将此称为“有形的编程语言”(Tangible Programming Language)。

实物编程在图形化编程语言的基础上,将屏幕中的代码块实物化,封装到类似于乐高积木的实物模块当中。这些实物模块被赋予不同的属性或功能,如函数、变量、逻辑、传感器等。它们可以通过不同的堆叠方式表达程序逻辑,并对指令做出响应。这种基于现实世界的编程方式的出现,为教育者解开了诸多环境和工具上的限制,为低龄学习者的编程活动提供了更大的探索空间。

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实物编程的基本特征

相较于传统文本和图形化编程形式,实物编程的主要特征可归纳为以下三点:

①使用直接的物理操作。实物编程指令的物理形态主要为块、按钮和卡片,它改变了通过键盘输入代码和鼠标拖动图标的编程形式,避开了低龄儿童在计算机界面中的操作困难。实物编程工具更像是他们所熟悉的游戏形式——积木、遥控器和拼图,对儿童的动作技能要求很低,如堆放、打开开关、按下按钮、拼装拆卸,因而使编程成为了一种手、脑直接作用的活动。

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乐芒少儿实物编程-芒果乐联

②采用简化的编程语言。传统的文本编程甚至部分图形化编程规则中,依旧存在较多抽象的语法规则。实物编程将复杂的语法封装到编程模块中,尽量避免儿童与复杂编程语法的接触,仅使用少量简单的指令,如顺序性指令(“前进”、“后退”、“暂停”、“左转”、“右转”)和执行指令(“开始”、“停止”、“清空”)等。儿童凭借生活经验,可以在较短的时间内掌握编程规则,从而将更多的精力应用在创造性编程活动中。


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乐芒少儿实物编程模块

③具有较强的现实互动性。实物编程构建了现实的互动环境,它使学习者有更多机会在更自然的教室环境中学习,如桌子或地板,而不是计算机屏幕前。在理想的情况下,这给了教师更多的灵活性来确定教室中编程活动的结构和时间。


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实物编程不仅促进了学习者与现实环境的互动,也促进了他们与编程实体、与同伴之间的互动。这为同伴之间的合作与交流提供了极大的空间,使儿童在具体的合作编程过程中,可以直接指出、拿起自己认为存在问题的程序块,并将它摆放到合适的位置,由此激发他们自我表达和相互干预、相互评价的意愿,有助于引发学习者与概念之间的交互。

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乐芒少儿实物编程-上课

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实物编程在教育领域中的应用

实物编程在教育领域中有多种多样的应用场景,并在不同场景中担任不同的角色。归纳和讨论实物编程在不同教育情境中的应用,能够更好地揭示其背后的教育教学理念和教学形式,为今后实体编程设计、开发、应用、实践提供指导方向。本研究将实物编程在教育教学中的应用归纳为以下几个方面:

1 促进各类学科知识的学习

已有的研究成果显示,实物编程涉及与数学、自然科学、系统科学、艺术等多个学科的结合,其目的在于帮助学习者掌握学科知识,开展探索性的学习活动,培养学科素养。

在数学方面,实物编程被用于训练学习者的几何思维。

在自然科学方面,以实体编程模块为学习工具,组织学生进行简单的科学实验,从而发展其观察能力、问题解决能力和自主探索能力。

在系统科学方面,实物编程被用来帮助学习者讨论一些系统的结构和演进规律。学习者经常通过角色扮演的形式参与学习,对现象进行观察、归纳和总结。

在艺术方面,实物编程主要用于音乐教育,它打破了乐器对音乐学习的限制,帮助学习者通过编程活动了解乐理知识,并完成自己的音乐创作。

2 促进高阶思维能力的培养

实物编程不仅有助于具体的、良构的学科知识的学习,而且可以被用于培养学习者的高阶思维能力。实物编程对高阶思维能力的培养主要体现在对“计算思维”和问题解决能力的培养。“计算思维”实质上是问题解决的过程,它包括利用计算机和其它工具帮助解决问题、逻辑化地组织和分析数据、通过算法思想支持自动化解决方案等步骤。随着2006年“计算思维”被提出,实物编程在算法思维、问题解决等思维能力的训练上得到了越来越多的应用。

编程学习对计算思维技能学习的重要性已经成为了一项共识。图形化编程、机器人编程相关的大量文献表明,编程教育与计算机科学之间存在着一种有机的联系,是计算思维学习的一项有效工具。实物编程使教师和学生避开复杂的电脑操作和文本代码的编写,将更多时间聚焦于实际问题向程序指令转换的思考过程之中,因而可以更加有效地培养计算思维的能力。


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乐芒-芒果乐联

3 促进协同建构能力的提升

许多实物编程产品都是以游戏产品的形式出现,它们不仅能够更好地吸引学习者的兴趣,还能构建真实的学习情境,增强学习者与环境、学习者个体间的协作互动,并通过这些互动作用获得直接、间接的学习经验,完成对外部世界的自主建构,从而实现个人与个人之间、个体与环境之间协同建构能力的提升。

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实物编程教育应用的成果与不足

实物编程经过多年的发展,目前在产品的多样性和易用性上都有了较大幅度的提升。实物编程产品的数量、种类和功能不断增多,生产成本和教学推广成本不断降低,产品易用性不断增强,产品外观变得更加美观。

此外,实物编程在教育教学方面的有效性也得到了诸多研究人员的肯定。大量研究表明,实物编程活动可以激发低龄学习者的学习兴趣,提升学习效率,促进计算思维技能的培养。总体而言,使用实物编程实施编程教育能够使得儿童获得较好的学习体验,低幼儿童通过触摸理解传感器模块的事件触发,并通过编程活动与现实世界建立联系,更好地发展他们的抽象、观察、分析和创造能力。

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然而,从现有研究的内容、数量和质量来看,实物编程在教育领域中的应用仍存在较多不足。现阶段,实物编程教育研究的内容过于集中在产品开发上,缺少对理论研究、实证研究、教学资源开发的关注,与中小学校的教育实践存在较大脱节,面临的局限性可归纳为以下几点:

①实物编程产品的教育属性不够突出。以产品开发为主题的实体编程研究,其研究重点主要在于实体编程工具的设计标准(如可调式、可兼容性)和技术实现方式。实体编程工具被包装得越来越好,而实体编程的教学活动形式却并没有发生多少改变。

②基于实物编程的实证研究相对匮乏。大多数研究者只是进行了非正式的教育实验和产品测试,通过小样本的教育实验来证明研究者对实物编程教育功能的预设,或是通过对产品测试过程中被试行为、对话记录的分析,来完成产品的评价。非正式实验和测试的结果,并没有在大规模课堂实践中得到应用和推广。在教育研究领域,目前仅有少量研究者开展了基于实证的实物编程教育功能的研究。

③实物编程的教育功能趋向单一。越来越多的教师认为,实物编程的教育意义在于通过被简化的编程形式教会年龄较小的孩子如何编程,从而忽略了实物编程相较于其它编程形式的独特优势。如实物编程物理操作性的简易性和直观性更加有助于教师组织协作学习,增强学生之间的会话活动;实物编程工具与学生之间的强交互作用更加有助于教师创设具体的问题情境和教学情境,将学生引入教学内容。实物编程可与计算、识物、设计等认知活动进行有效结合,在综合实践类课堂、科学课堂、语言类课堂中均可以得到很好的应用。然而,广大教师对这些优势尚未形成深刻的认识。

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实物编程的未来展望

整体而言,实物编程的教育应用研究还处于初步发展阶段,存在着重开发而轻实践的普遍趋势,但具有巨大的教育应用前景。建议未来可从以下四个方面开展实物编程的教育研究:

①从儿童认知发展水平出发设计实物编程工具,根据不同年龄阶段学习者的心智发展特征,设计与之相应的交互功能,以满足特定的教学活动;

②从课程标准出发设计实物编程课程,使学科知识与程序设计知识得到有组织的结合;

③从儿童思维发展出发开展教学实证研究,即对儿童在实物编程教学中的知识能力获取和认知规律进行探究,并从中归纳教育规律,修正理论框架,为实物编程工具和教学资源的开发、应用和评价提供正确的思路;

④从生态建设角度开展多方协作研发,形成校、企、个人多方参与、相互支持的有机生态系统,并在该生态系统中形成配套的软硬件产品、教学资源、理论方法,从而发展线上线下学习社区。

实物编程在我国的研究虽然还处于起步阶段,但已经迎来了较好的发展机遇。我国要想在教育领域开展实体编程研究,就应以前人为鉴,注重实证研究,加强校企合作,构建成熟的理论框架和课程体系,在未来发展出多样的实物编程教育方法和理念。

内容源于现代教育杂志傅骞章梦瑶

本文标签: 少儿编程实物编程

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